Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

Lời cảm ơn

Em xin gi li cảm n chõn thnh, sõu sc n Th.S Phựng Cụng Phi
Khanh, ngi ó tn tỡnh hng dn em hon thnh khoỏ lun.
Em xin cm n cỏc thy, cụ giỏo trong t vt lý k thut, khoa vt lý,
Trng i hc s phm H Ni 2 ó to iu kin giỳp em hon thnh
khoỏ lun.
Cm n gia đình, bn bố, ngi thõn ó ng viờn, cổ v em trong suốt
quỏ trỡnh thc hin khoỏ lun.
Em xin chõn thnh cm n!

H Ni, thỏng 5 nm 2010
Sinh viờn

T Th Hng Nhung

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

1


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

Lời cam đoan

Tụi xin cam oan khoỏ lun ny l s n lc ca bn thõn, cựng s
giỳp tn tỡnh ca Th.S Phựng Cụng Phi Khanh.
Kt qu nghiờn cu trong khoỏ lun l trung thc khụng trựng lp vi
kt qu nghiờn cu ca ti no khỏc v cha c cụng b trong bt kỡ
cụng trỡnh nghiờn cu no.
Nu kết quả cam oan trờn l sai tụi xin hon ton chu trỏch nhim.

H Ni, thỏng 5 nm 2010
Sinh viờn

T Th Hng Nhung

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

2


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

Mục lục
A. Mở đầu...5
1. Lí do chọn đề tài.......5
2. Mục đích nghiên cứu....6
3. Nhiệm vụ nghiên cứu....6
4. Đối tượng nghiên cứu...6
5. Phương pháp nghiên cứu..6
6. Cấu trúc luận văn......................................................................................6


B. nội dung7
chương 1: tổng quan về cảm biến............7
1.1. Định nghĩa và đặc trưng ca cảm biến7
1.2. Thông số cơ bản của cảm biến....9
1.2.1. Sai số và độ chính xác .......9
1.2.2. Sai số ngẫu nhiên và sai số hệ thống................................................. 9
1.3. Phân loại cảm biến........10
1.3.1. Cảm biến tích cực.........10
1.3.1.1. Hiệu ứng nhiệt............................................................................10
1.3.1.2. Hiệu ứng hỏa điện......10
1.3.1.3. Hiệu ứng điện áp11
1.3.1.4. Hiệu ứng cảm ứng điện từ..11
1.3.1.5. Hiệu ứng quang điện......12
1.3.1.6. Hiệu ứng quang phát xạ điện từ.12
1.3.1.7. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn....12
1.3.1.8. Hiệu ứng quang điện từ..12
1.3.1.9. Hiệu ứng Hall.13
1.3.2. Cảm biến thụ động ..14
1.4. Mạch đo.....15
1.5. Độ nhạy.....16
1.5.1. Định nghĩa........16
1.5.2. Độ nhạy trong chế độ tĩnh........17

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

3


Khoá luận tốt nghiệp


Cảm biến vận tốc

1.5.3. Độ nhạy trong chế độ động......17
1.6. Các yêu cầu của cảm biến.....17
chương 2: cảm biến vận tốc...18
2.1. Giới thiệu chung...18
2.2. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc......19
2.2.1. Tốc độ kế dòng một chiều...19
2.2.2. Tốc độ kế dòng xoay chiều......21
2.2.2.1. Máy phát điện đồng bộ......22
2.2.2.2. Máy phát điện không đồng bộ...23
2.2.3. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài.24
2.2.4. Tốc độ kế xung đo tốc độ quay...26
2.2.4.1. Cảm biến từ trở biến thiên..27
2.2.4.2. Tốc độ kế quang.28
chương 3: ứng dụng của cảm biến vận tốc...29
3.1. Thiết kế con quay vi cơ..29
3.1.1. Giới thiệu chung về con quay vi cơ..29
3.1.2. Nguyên tắc hoạt động...30
3.1.3. Thiết kế cảm biến vận tốc TFG....33
3.2. Thiết kế cảm biến vận tốc từ......35
3.2.1. Giới thiệu chung về cảm biến vận tốc từ..35
3.2.2. Nguyên tắc hoạt động: miễn cưỡng cảm biến..36
3.2.3. Thiết kế cảm biến vận tốc từ37
3.2.4. ứng dụng cân nhắc...37
3.3. Cảm biến vận tốc quay xe đường sắt..38
3.4. Cảm biến KM116...38
3.5. Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến đang phát triển39
3.6. Cải tiến công nghệ chế tạo.40


C. kết luận.42
D. tài liệu tham khảo..43

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

4


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

A. Mở đầu
1. Lý do chn ti
T ngn xa, ngi tin s ó nh vo giỏc quan xỳc giỏc ca mỡnh
cm nhn, tỡm hiu c im ca th gii t nhiờn v hc cỏch x dng
chỳng, nhm mc ớch khai thỏc th gii xung quanh phc v cho cuc sng
ca h. Ngy nay, vi s phỏt trin khụng ngng ca khoa hc k thut cụng
ngh, con ngi ó phỏt minh ra nhng thit b nhn bit s thay i ú
nh thit b cm nhn nhit , ỏp sut, vn tc, m...Cỏc thit b cm nhn
ú ngi ta gi chung l cm biến.
Trong quỏ trỡnh phỏt trin ca ngnh vt lý, cng nh mt s ngnh
khỏc, vn tc l mt i lng cn phi xỏc nh chớnh xỏc. xỏc nh vn
tc, trc õy ngi ta s dng ng h bm giõy v mt s phng phỏp th
cụng khỏc. Nhng chớnh xỏc ca chỳng khụng cao. Vỡ vy, trong nhng
nm gn õy ngi ta ó thay th bng mt loại cm bin có thể xác định
chính xác vận tốc cần đo v cm bin ú c gi l cm bin vn tc. Ngy
nay, nh nhng thnh tu mi ca khoa hc cụng ngh cm bin vn tc ó
c gim thiu kớch thc, ci thin tớnh nng, gim giỏ thnh v ngy cng
c s dng rng rói trong nhiu lnh vc nh: Cụng ngh ụ tụ, in t dõn

dng, robot, quõn s...Ngoi ra, cm bin vn tc cũn c s dng kt hp
vi cỏc loi cm bin khỏc nh kt hp vi cm bin gia tc phc v dn
ng cho mỏy bay, tờn la.
Xut phỏt t thc tin, cựng vi s hng dn tn tỡnh ca Th.S
Phựng Cụng Phi Khanh cng nh s ng h ca cỏc thy, cụ v bn bố nờn
tụi ó chn ti: Cm bin vn tc .

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

5


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

2. Mc ớch nghiờn cu
Tỡm hiu v cm bin vn tc v nhng ng dng ca chỳng trong
khoa hc k thut v i sng.
3. Nhim v nghiờn cu
ư Tỡm hiu tng quan v cm bin.
ư Tỡm hiu cm bin vn tc.
ư ng dng ca cm bin vn tc.
4. i tng nghiờn cu
Cm bin vn tc v ng dng ca cm bin vn tc.
5. Phng phỏp nghiờn cu
Trong ti ny, tụi s dng phng phỏp nghiên cứu lý thuyết. c
ti liu tng hp, nờu lờn nhng c s chớnh v cm bin vn tc. Tng
hp, phõn tớch t liu tỡm hiu v gii thỡch v cm bin vn tc. Tỡm hiu
mt s ng dng ca chỳng.

6. Cu trỳc lun vn
Ngoi phn m u, ti liu tham kho, phn chớnh ca lun vn gm
ba chng v phn kt lun.
Chng I: Tng quan v cm bin.
Chương I giới thiệu về định nghĩa, các đặc trưng và các thông số cơ bản
của cảm biến.
Chng II: Cm bin vn tc
Chương II khái quát về cảm biến vận tốc, các tốc kế của cảm biến vận tốc.
Chng III: ng dng ca cm bin vn tc.
Chương III giới thiệu về ứng dụng của cảm biến vận tốc và một số thiết kế
của cảm biến vận tốc thường gặp trong thực tế.

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

6


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

B.Nội dung
CHNG 1: TNG QUAN V CM BIN

1.1. nh ngha v c trng ca cm bin
Cm bin trong ting anh gi l sensor xut phỏt t ch sense theo
ngha la tinh l cm nhn. Cm bin l nhng phn t dựng bin i cỏc
i lng o lng kim tra hay iu khin t dng ny sang dng khỏc. Cm
bin l thit b chu tỏc ng ca cỏc i lng cn o khụng cú tớnh cht
in, kớ hiu l m v cho u ra mt i lng mang bn cht in cú th o

c (nh in tớch, in ỏp, dũng in hoc tr khỏng), kớ hiu l S. i
lng in S l hm ca i lng cn o m:
S = F(m)
Trong ú, S gi l i lng u ra hoc phn ng ca cm bin v m
l i lng u vo hay kớch thớch (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc
đo đạc S cho phép nhận biết giá trị của m (hình 1.1).
Biu thc S = F(m) l dng lý thuyt ca nh lut vt lý biu din hoạt
ng ca cm bin, ng thi l dng s biu din s ph thuc ca nú vo cu
to, vt liu lm cm bin, ụi khi c vo mụi trng v ch s dng (nhit
ngun). i vi mi cm bin, cú th khai thỏc biu thc trờn cn phi chun
cm bin: Vi mt lot giỏ tr ó bit trc ca m, o giỏ tr tng ng ca S.
d s dng, thụng thng ngi ta ch to cm bin sao cho cú s
liờn h tuyn tớnh gia bin thiờn u ra s v bin thiờn u vo m:
s = S. m.

Trong ú, S l i lng nhy. Trong thc t cũn s dng nhy tng i:

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

7


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

S0 =

s
m


Trong đó, s là đại lượng ra , m là đại lượng vào.
v

Đại lượng cần đo
(m)

cảm biến
t1

t2

tn

t

s
Đại lượng điện
(s)

t
H ình 1.1: Sự biến đổi đại lượng cần đo và đáp ứng s theo thời gian
t1

s

t2

tn


s

S2

Si

S1
m1

m2

m

mi

m

b)

a)

H ình 1.2: Đường cong chuẩn cảm biến
a. Đường cong từ những giá trị đã biết của m.
b. Khai thác đường cong để xác định m từ giá trị s đã cho.

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

8



Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

1.2. Các thông số cơ bản của cảm biến
1.2.1. Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng
cần đo (cảm nhận), còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên
sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x là độ
lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm
biến được tính bằng:
%=

x
.100
x

Trong đó, x là sai số tuyệt đối.
1.2.2. Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
* Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị
không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm một độ lệch không
đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu
hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt.
Những nguyên nhân gây ra sai số hệ thống:
­ Do nguyên lý của cảm biến.
­ Giá trị đại lượng chuẩn không đúng.
­ Do đặc tính của bộ cảm biến.
­ Do điều kiện và chế độ sử dụng.
­ Do xử lý kết quả đo.
* Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định.

Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên:
­ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
­ Do tín hiệu ngẫu nhiên.
­ Do các đại lượng ảnh hưởng như thông số môi trường không
được tính đến trong khi chuẩn cảm biến.

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

9


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

1.3. Phân loại cảm biến
Có rất nhiều cách để phân loại cảm biến như phân loại theo chức năng,
theo đặc tính, theo tín hiệu... Nhưng người ta thường phân loại theo hai loại
chính là cảm biến tích cực và cảm biến thụ động.
1.3.1. Cảm biến tích cực
Cảm biến tích cực hoạt động như một máy phát, về mặt nguyên lý cảm
biến tích cực thường dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi dạng năng lượng nào
đó (nhiệt cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng.
Các dạng ứng dụng tổng quát hiệu ứng của cảm biến tích cực:
1.3.1.1. Hiệu ứng nhiệt
Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hoá học khác nhau, được
hàn lại với nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở giữa hai mối hàn là T1 và
T2 sẽ xuất hiện một suất điệnđộng e (T1,T2).
Hiệu ứng này được ứng dụng


(M1)

T1

để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt

(M2)

e

T1

0

độ T2, VD:T2= 0 C (h×nh 1.3).
00 C

Hình 1.3: Ứng dụng hiệu ứng nhiệt
1.3.1.2. Hiệu ứng hoả điện
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (VD: Tinh thể sulfate trigliane),
có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ.
Trên các mặt đối diện của chúng
tồn tại những điện tích trái dấu có độ lớn
tỉ lệ thuận với độ phân cực điện.
Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng



.
v 

.

Hình 1.4: Hiệu ứng hoả điện

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

10


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

để đo bức xạ hồng ngoại. Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ tia hồng ngoại, nhiệt độ
của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện. Sự thay đổi phân cực này có thể xác
định được bằng cách đo sự biến thiên của điện áp trên 2 cực của tụ điện
(hình 1.4).
1.3.1.3. Hiệu ứng áp điện

F

Khi tác dụng lực cơ học lên một
vật làm bằng vật liệu điện áp (VD: thạch
anh) sẽ gây nên biến dạng của vật đó
và làm xuất hiện lượng điện áp bằng nhau

.
v F
.


nhưng trái dấu trên các mặt đối diện của Hình 1.5: Ứng dụng của hiệu ứng điện áp
vật. Đó là hiệu ứng điện áp.
Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây
nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (VD: áp suất, gia tốc,...) thông qua việc
đo điện áp trên hai bản cực của tụ điện (hình 1.5).
1.3.1.4. Hiệu ứng cảm ứng điện từ


B

Trong một dây dẫn chuyển
động trong từ trường không đổi sẽ



xuất hiện một suất điện động tỉ lệ

e

với từ thông cắt ngang dây trong
một đơn vị thời gian nghĩa là tỉ lệ

Hình1.6: Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng
điện từ

với tốc độ dịch chuyển của dây dẫn.
Cũng tương tự như vậy, trong một khung dây dẫn chịu tác động của từ
thông biến thiên sẽ xuất hiện suất điện động bằng và ngược dấu với sự biến
thiên của từ thông.
Hiệu ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của

vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng (hình 1.6).
1.3.1.5. Hiệu ứng quang điện

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

11


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu diễn khác nhau nhưng chung
một bản chất. Đó là hiện tượng giải phóng ra các hạt nhân tự do trong vật liệu
dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung), có bước
sóng nhỏ hơn giá trị ngưỡng đặc trưng của vật liệu. Hiệu ứng này được ứng
dụng để chế tạo các cảm biến quang (VD: Các công tắc tự động đóng ngắt
đèn chiếu sáng công cộng).
1.3.1.6. Hiệu ứng quang phát xạ điện từ
Hiệu ứng quang phát xạ điện từ là hiện tượng các điện từ được giải
phóng thoát ra khỏi vật liệu tạo thành dòng được thu lại dưới tác dụng của
điện trường.
1.3.1.7. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn.
Khi một chuyển tiếp P­N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện
tử lỗ trống, chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường của chuyển tiếp
làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp.
1.3.1.8. Hiệu ứng quang điện từ.




Khi tác dụng một từ trường

B vuông góc với bức xạ ánh sáng,

trong vật liệu bán dẫn được chiếu
sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế
theo hướng vuông góc với từ trường

B và với hướng bức xạ ánh sáng.

Hiệu ứng quang điện từ cho
phép nhận được dòng hoặc thế phụ


B

v 

Hình1.7: Ứng dụng hiệu ứng quang
điện tõ

thuộc vào độ chiếu sáng. Dựa trên nguyên tắc này có thể đo các đại lượng
quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu
điện (hình 1.7).
1.3.1.9. Hiệu ứng Hall

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

12



Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

Trong một vật liệu (thường là bán dẫn ) dạng tấm mỏng có dòng điện


chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc  với dòng điện I, sẽ


xuất hiện một hiệu điện thế VH theo phương vuông góc với B và I .
Biểu thức của hiệu điện thế VH có dạng:
VH = KH.I.B. sin 
x

Trong đó, KH là hệ số phụ thuộc

B

vào vật liệu và kích thước hình học của mẫu.
Hiệu ứng Hall được ứng dung

I



để xác định vị trí của một vật chuyển
động. Vật này được phép nối cơ học
với một thanh nam châm. Ở mọi thời

điểm, vị trí của thanh nam châm xác


định giá trị của từ thông B và góc 
tương ứng với tấm bán dẫn mỏng dùng

. .

vH  x

Hình 1.8: Ứng dụng của hiệu ứng
Hall

làm vật trung gian. Vì vậy, hịệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh của tấm bán
dẫn trong trường hợp này (một cách gián tiếp) là hàm phụ thuộc vào vị trí của
vật trong không gian (hình 1.8).
Cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall là cảm biến tích cực bởi vì thông tin
có liên quan đến suất điện động. Đây không phải là bộ chuyển đổi năng lượng
bởi vì trong trường hợp này nguồn của dòng I (chứ không phải là đại lượng
cân đo) cung cấp năng lượng liên quan đến tín hiệu đo.
1.3.2. Cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có trong
các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Một mặt giá trị của trở, phụ
thuộc vào tính điện của vật liệu như điện trở suất  , độ từ thẩm  , hằng số
điện môi  . Vì vậy, giá trị của trở kháng bị thay đổi khi đại lượng đo tác động

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

13



Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

gây ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc ảnh
hưởng đồng thời đến kích thước hình học và tính chất điện cả vật liệu.
Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng thay đổi nếu cảm
biến có chứa phần tử bíến dạng. Trong trường hợp thứ nhất cảm biến có chứa
phần tử động, mỗi vị trí của phần tử chuyển động tương ứng với một giá trị
trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định vị trí của đối tượng. Đây là
nguyên lí của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điện thế,
cảm biến ứng có lõi động, tụ điện dùng bản cực di động...). Trong trường hợp
thứ 2, cảm bến có phần tử biến dạng. Sự biến dạng này gây nên bởi lực hoặc
các đại lượng dẫn tới lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp
lên cảm biến (VD: Bản cực di động của tụ điện chịu tác dụng của áp suất vi
sai, cảm biến đo ứng lực liên quan chặt chẽ đến cấu trúc chịu tác động của
ứng suất). Sự thay đổi của trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động
lên cấu trúc, nghĩa là tác động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín
hiệu điện (hiệu ứng áp trở).
Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu khác nhau, tính chất điện của
chúng có thể nhạy với đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ chiếu sáng áp suất, độ
ẩm...Nếu chỉ có một trong những thông số nêu trên có thay đổi và tất cả các
đại lượng khác không thay đổi, chúng ta sẽ thiết lập được sự tương ứng đơn
trị giữa giá trị của đại lượng này và trở kháng của cảm biến.
Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi trở kháng dưới tác
dụng của đại lượng cần đo chỉ có thể xác định khi cảm biến là một thành phần
trong mạch điện. Trên thực tế, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn
mạch đo cho thích hợp với cảm biến.
1.4. Mạch đo

Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo (trong đó kể cả cảm biến).

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

14


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

Cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất
có thể.
Ở đầu mạch vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng tác
động trực tiếp (nếu là cảm biến tích cực) hoặc gián tiếp thông qua bộ cảm
biến (nếu là cảm biến thụ động) gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin về
đại lượng cần đo.
Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang
dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ
đo đảm bảo cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với một giá trị của đại
lượng đo tác động ở đầu vào của mạch.
Dạng đơn giản nhất của mạch đo bao gồm cảm biến, bộ biến đổi tín
hiệu và thiết bị chỉ thị. Tuy nhiên, điều kiện đo trên thực tế thường do môi
trường bao quanh đòi hỏi, đồng thời do sự cần thiết của việc khai thác tín
hiệu, mạch đo thường bao gồm nhiều thành phần trong đó có các khối tối ưu
hoá việc thu thập dữ liệu và để sử lý dữ liệu. Tùy từng trường hợp cụ thể
người ta chọn mạch thích hợp với cảm biến. Hình minh hoạ dưới đây biểu
diễn một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ
nhiều phần tử.
a

FC 1
D 2

PC

4

5

ADC

6

CPU
7

PA 3
b

Hình1.9: Mạch đo điện thế bề mặt

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

15


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc


1. Máy phát chứcnăng 5. Khuếch đại.
2. Cảm biến điện tích

6. Chuyển đổ tương tự

3. Tiền khuếch đại

7. Máy tính

4. So pha lọc nhiễu

a. Máy in
b. Màn hình

1.5. Độ nhạy
1.5.1. Định nghĩa
Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi mi của đại lượng đo, được
xác định bởi tỉ số giữa biến S của đại lượng đầu ra và biến thiên m tương
ứng của đại lượng đo ở đầu vào:
 S 

S= 

 m m mi
Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng
với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đo, người sử
dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biền và độ lớn
của những biến thiên của đại lượng đo. Điều này cho phép lựa chọn được cảm
biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn điều kiện đặt ra.
Đơn vị của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và

các đại lượng có liên quan.
1.5.2. Độ nhạy trong chế độ tĩnh
Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh là dựng lại các giá trị Si của đại lượng
đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng
này đạt chế độ làm việc danh định. Đặc trưng tĩnh của cảm biến chính là dạng
chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và điểm làm việc Qi của cảm biến chính
là đặc trưng tĩnh tương ứng với các giá trị mi, Si.

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

16


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

1.5.3. nhy trong ch ng
nhy trong ch ng c xỏc nh khi i lng o l hm tun
hon ca thi gian. Trong iu kin nh vy, i lng u ra S ch lm
vic danh nh cng l hm tun hon ca thi gian ging nh ai lng o.
1.6. Cỏc yờu cu ca cm bin
Mun cú nhy cao, sai s nh, cm bin cn cú tớnh cht sau:
ư Cú di thay i ai lng vo cn thit.
ư Thớch ng v thun tin vi s o lng kim tra.
ư nh hng ớt nht n i tng u vo.
ư Cú quỏn tớnh nh.
Hin nay cú rt nhiu loi cm bin, chỳng lm vic theo nhiu nguyờn
lý khỏc nhau. Do vy, kt cu ca cm bin rt a dng v phong phỳ. Trong
ú lnh vc cm bin ư cm ng l loi cm bin ph bin trong h t ng

hoỏ v iu khin t ng [1].

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

17


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

chương 2: cảm biến vận tốc
2.1. Gii thiu chung
Ngy nay, cm bin núi chung v cm bin vn tc núi riờng ó v
ang c ng dng rng rói v ngy cng tr nờn ph bin trong tt c cỏc
lnh vc. c bit trong cụng ngh, vic o vn tc, trong phn ln cỏc trng
hp u dựng n cm bin vn tc. Vy, cm bin vn tc l o tc quay
ca mỏy. õy mun núi n vic theo dừi tc vỡ lý do an ton hoc
khng ch cỏc iu kin t trc cho hot ng ca mỏy múc, thit b.
Trong iu kin chuyn ng thng, vic o vn tc di cng thng c
chuyn sang o tc quay. Bi vy, cỏc cm bin o vn tc gúc chim v
trớ u th trong lnh vc o tc .
Vn tc gúc l mc thay i gúc quay trong mt n v thi gian
(hỡnh 2.1).

M
M

d


dt

d



Cỏc cm bin trong cụng nghip

A
O

dựng o vn tc da trờn nh lut
Faraõy.

e

d
dt

Hỡnh 2.1: S thay i gúc quay

Vi e l sut in ng xut hin khi t thụng thay i mt
lng d trong khong thi gian dt. T thụng i qua mt mch l mt hm s
dng:

( x) 0 .F ( x)

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

18



Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

Trong đó, x là biến số của vị trí thay đổi theo đuờng thẳng hoặc vị trí
theo góc quay.
Mọi sự chuyển động tương đối giữa nguồn từ thông (phần cảm) và
mạch có từ thông đi qua (phần ứng) sẽ làm xuất hiện trong mạch một suất
điện động có biên độ tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển. Suất điện động này chứa
đựng trong nó tín hiệu ra của cảm biến:

e  0 .

d .F  x  dx
.
dx
dt

Các tốc độ kế hoạch động theo nguyên lý này gọi là tốc độ kế vòng
loại điện từ.
Khi một phần tử động chuyển động hoàn toàn. VD: chuyển động quay,
có thể xác định vận tốc của nó bằng cách đo tần số.
2.2. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc
2.2.1. Tốc độ kế dòng một chiều
Các phần tử cấu tạo cơ bản của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn
trên (hình 2.2) gồm:
Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu có
hai cực nam và bắc nằm phía ngoài cùng.


Hình 2.2: Nguyên lý cấu tạo của máy phát dòng một chiều
1. Stato 2. Rôto 3. Cổ góp 4. Chổi quét

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

19


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

Rôto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại và quay giữa
các cực của stato. Mặt chu vi của rôto có khắc các rãnh song song với trục và
cách đều nhau, tổng các rãnh là một số chẵn (n = 2k). Trong mỗi rãnh có đặt
một dây dẫn bằng đồng, gọi là dây chính. Chúng được nối với nhau từng đôi
bằng các dây phụ ở hai đầu theo đường kính trục. Cực góp là một hình trụ
đồng trục với rôto nhưng có bán kính nhỏ hơn. Trên bề mặt cực góp có các lá
đồng cách điện với nhau, mỗi lá được nối với một dây đồng chính của rôto.
Hai chổi quét được áp sát vào cực góp sao cho ở mỗi thời điểm chúng
luôn luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. Hai chổi này được đặt dọc
theo đường trung tính vuông góc với hướng trung bình của từ trường để đạt
được suất điện động lớn nhất.
Suất điện động cho một dây dẫn chính, dây thứ j. Khi dây quay quanh
trục trong từ trường, ở hai đầu dây xuất hiện một suất điện động ej:

ej  

d j

dt

Trong đó, d j là từ thông mà dây cắt trong khoảng thời gian dt.

 
d  j  d S c .d B j  dS c .B JN
Trong đó, d S c là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt, Bj là thành


phần B vuông góc với dSc, tiết diện bị cắt được tính bởi tích số:

dSc  l.v.dt
Trong đó, l là chiều dài dây dẫn và v vận tốc dài của nó .

v  w.r
W và r là vận tốc góc và bán kính tương ứng của rôto. Cuối cùng biểu
thức của suất điện động của một dây dẫn là:
e j  ­ w.r.l.B JN

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

20


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

Vi dõy dn phớa i din, theo nguyờn lý i xng, sut in ng
ca nú s l:


e,j w.r.l.BJN
Sau khi tớnh toỏn, biu thc ca sut in ng ng vi mt na s dõy
bờn phi ng trung tớnh cú dng:
w
.n.0 ưN.n.0
2

Er ư

Trong ú, N l s vũng quay trong mt dõy, n l tng s dõy chớnh trờn
rụto,

0 l t thụng xut phỏt t cc nam chõm.
Vi na s dõy bờn trỏi:

E1

w
.n.0 N .n.0
2

Nguyờn tc qun dõy l ni 2k vi nhau thnh hai cm sao cho mi
cm cú k dõy mc ni tip vi nhau, cũn hai cm thỡ mc ngc pha nhau,
mi cm cho mt sut in ng E:

E

w
.n.0 N .n.0

2

Sut in ng E ny c a ra mch ngoi bng cỏc dựng hai chi
quột. Nú t l vi vn tc gúc w.
* u im ca thit b l tớn hiu u ra i du khi i chiu quay.
Trong khi ch to, ngi ta thng dựng nam chõm vnh cu trỏnh
phi dựng ngun kớch thớch.
2.2.2. Tc k dũng xoay chiu
Tc k dũng xoay chiu cú u im l khụng cú c gúp v chi quột
nờn cú tui th cao, khụng cú thng giỏm v st th trờn chi. Nhc im l
cu to phc tp. Ngoi ra, xỏc nh biờn cn phi chnh lu v lc tớn
hiu.

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

21


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

2.2.2.1. Máy phát đồng bộ
Đây chính là máy phát xoay chiều nhỏ. Rôto của máy phát đồng bộ
được gắn với trục cần đo tốc độ quay. Rôto này là một nam châm hoặc một
tập hợp của nhiều nam châm nhỏ (hình 2.3). Sato được cuốn dây làm phần
cảm ứng, có thể là một pha hoặc nhiều pha, là nơi cung cấp suất điện động
hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay w của rôto, nghĩa là:

e  E.sin t

Trong đó, E=ki.w,   k2 .w và k1, k2 là các thông số đặc trưng của máy.
Giá trị của w có thể được tính theo E hoặc 

Hình2.3: Máy phát đồng bộ
1. Stato 2. Rôto
Xác định w từ biên độ của suất điện động:
Cuộn cảm ứng có trở kháng trong.

zi  Ri  jLi 
Trong đó, Ri và Li là điện trở và tụ cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai
đầu cuộn ứng với tải R có giá trị:
U

R.E
(R+R i )2  ( Li )2



R.K1.w
( R  Ri ) 2  ( K 2 Li w)

2

Nói chung, điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay w.
Để sử dụng máy phát như một cảm biến vận tốc phải thoả mãn điều kiện
R>>Zi, tức là tải R phải lớn hơn rất nhiều so với trở kháng của cuộn dây, đồng

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

22



Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

thời tốc độ quay w của cuộn dây phải rÊt lớn để sao cho trên thực tế có được

U E.
Ở đầu ra điện áp phải được chỉnh lưu để nhận được điện áp một chiều.
Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi tần số
thấp. Ngoài ra, sự có mặt của bộ lọc sẽ làm tăng thời gian đáp ứng của cảm
biến. Tốc độ quay có thể được xác định bằng cách đo tần số của suất điện
động. Phương pháp này đặc biệt quan trọng khi phải đo trên khoảng cách lớn.
Tín hiệu từ máy phát đồng bộ có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín
hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
2.2.2.2. Máy phát không đồng bộ
Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không
đồng bộ hai pha (hình 2.4). Rôto là một hình trụ kim loại mảnh và dị từ được
quay với vận tốc w cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể.
Stato làm bằng tôn từ tính có hai cuộn dây được bố trí như trên hình vẽ. Cuộn
dây thứ nhất đóng vai trò cuộn kích được cung cấp điện áp Ve và tần số
we ổn định:

ve  Ve .cos w e .t
Cuộn dây thứ hai gọi là cuộn dây đo. Giữa hai đầu của cuộn này sẽ
xuất hiện suất điện động em có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo:

em  Em .cos(w et   )  K .w.Ve .cos(w et   )
Trong đó, k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể vào máy,  là độ

lệch pha.

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

23


Kho¸ luËn tèt nghiÖp

C¶m biÕn vËn tèc

Hình 2.4: Nguyên tắc cấu tạo của máy phát không đồng bộ
1.cuộn kích 2. Rôto 3. Cuộn đo

Độ lệch pha  thay đổi vài độ trong dải tốc độ, nhưng khi thay đổi
chiều quay độ lệch pha sẽ thay đổi một lượng bằng

.

2.2.3. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài
Khi độ dịch chuyển của đối tượng nghiên cứu quá lớn (>1m) việc đo
vận tốc dài phải chuyển thành đo vận tốc góc. Điều này có thể thực hiện được
nhờ sử dông những bánh lăn hoặc một vật quay sao cho tốc độ quay tỉ lệ với
tốc độ dịch chuyển thẳng.
Trong trường hợp dịch chuyển thẳng có biên độ nhỏ, có thể tạo cảm
biến vận tốc bằng kết hợp một nam châm và một cuộn dây, một trong hai sẽ
cố định, còn vật thứ hai gắn với vật chuyển động. Khi đó, chuyển động tương
đối giữa cuộn dây và nam châm sẽ gây nên trong cuộn dây một suất điện động
tỉ lệ với vận tốc cần tốc cần đo.
Nếu cuộn dây là động, nó sẽ được đặt trong từ trường xuyên tâm của

nam châm như biểu diễn trên (hình 2.5). Biểu thức của suất điện động xuất
hiện trong cuộn dây có dạng:

e  2.rnBv
. . .  l.Bv
.

T¹ ThÞ Hång Nhung K32D - SPKT

24


Khoá luận tốt nghiệp

Cảm biến vận tốc

Trong ú, r l bỏn kớnh ca vũng dõy, n l s vũng dõy, l l tng chiu
di ca dõy qun, B l giỏ tr ca cm ng t v v l tc dch chuyn ca dõy.

Hỡnh 2.5: Cm bin dựng cun dõy ng
1.Nam chõm 2.Cun dõy
Tốc độ kế loại này đo được độ dịch chuyển cực đại khoảng vài mm với
độ nhạy khoảng 1v/(m/s).
Khi độ di chuyển theo trục của hai cuộn dây (hình 2.6).

(a)

(b)

Hỡnh 2.6: Cm bin dựng nam chõm ng

a.Cu to
b. S nguyờn lý
1.Nam chõm 2.Cun dõy
Trong trường hợp này, khi nam châm chuyển động, suất điện động cảm
ứng trong từng cuộn dây sẽ tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhưng có dấu ngược
nhau, vì các cực ngược nhau chuyển động trong hai cuộn dây. Chính vì vậy,
hai cuộn dây được đấu nối tiếp và ngược chiều để nhận được suất điện ng
khác không.
2.2.4. Tốc độ kế sung đo tốc độ quay

Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT

25